基于单片机技术的机械设备计时器的研制

　　1　计时器组成及工作原理

　　(1)硬件组成及计时原理

　　计时智能控制系统采用硬件触发加软件检测、控制的方法,利用机械设备运转时产生的振动信号,通过微处理器来判断是否有代表设备运行的信号出现,控制计时并进行简单运算,触发计时器进入工作状态,再由CPU读取开机时间参数,并存储;振动信号消失后,计时触发信号消失,计时器停止工作,并将当前工作时间和累计工作时间分别存储。通过通讯口进行简单查询或与计算机连接读取数据并进行分析,得到机械设备工作的有关数据。硬件原理图如图1所示。

　　计时器核心采用性价比高、体积小、支持低功耗模式的87C51芯片作为微处理器,该芯片集成了2个定时/计时器、2个外中断源、串行I/O口、并行I/O口;具有算术运算、逻辑运算、控制转移等功能,并可对其编程实现多种功能。工业芯片使用范围为-40~70℃,性能可靠稳定。为增加计时精度,增加1片频率为32768Hz的手表晶振;数据存储选用E2PROM芯片,用耗能低且可靠性高的4位点阵液晶显示屏显示数据。

　　(2)软件系统构成及功能

　　软件系统按模块化进行设计,主要由主程序模块、信号检测程序模块、中断程序模块、通讯程序模块和数据分析程序模块等组成。主程序模块进行定时、串口和中断系统初始化,并循环检测是否有机械设备运行触发信号。应用程序采用中断方式调用。主程序模块流程图如图2所示,检测程序流程如图3所示。

　　2　技术实现方案

　　(1)计时控制技术

　　机械设备运转时产生振动的振幅约为80~100μm,频率约为5~100Hz。根据需要,采用由硬件触发加软件检测、控制的方法,由振动传感器和单片机的有机合作作为计时器的智能控制核心,以τ电路为主的数字电路完成软硬件的结合。原理图如图4所示。

　　振动传感器感应的振动信号转化为电信号后,经放大、整形处理,产生周期性二值数字信号及运动瞬间的触发信号,信号经τ电路处理为反映机械实际振动状态的二值电平信号送入微处理器,由软件识别机械设备的动、静态,决定整个系统工作与休眠。工作时,软件以一定的时间间隔检测外部动态电平,由瞬态信号了解机械设备的工作起始,记录其启动时刻,并进行工作计时和累加,微处理器通过硬件检测提供的信息,准确地把握外部设备的工作状态。当外部工作设备处于静止状态时,微处理器指挥系统同步进入静止状态,并将工作时间累加,等待再次触发。

　　(2)电源管理技术

　　为消除人为因素的影响,计时器使用过程中不使用任何外部电源供电、补充充电和更换电池;保证计时器内部电源长时间连续可靠工作。为此,除计时器本身采用低功耗模式设计、硬件选用CMOS元件外,还采用特殊的电源管理技术,供电电路设计如图5。